生物膜填料特性的研究进展与应用

2023-02-10张明宇姜笑谈

科技创新与应用 2023年1期

张明宇，边维，2，王帆，2，姜笑谈，曲红，2*

（1.长春工程学院，长春 130012；2.吉林省城市污水处理重点实验室，长春 130012）

随着城市的发展与进步，生活污水和工业废水的排放量在显著增加，对于城镇污水排放标准的不断提高，城镇污水处理厂需要持续、高效的运行，以保证污水可以正常达标排放。城镇污水处理厂作为生活污水与工业废水进入自然水体前的最后一个节点，在限制环境污染过程中起到了关键作用。传统活性污泥法因其处理水量大、出水水质好、处理程序简单，管理维护费用较低等优点而应用广泛，但也存在反应池占地面积较大、容积负荷低、剩余污泥产量大、易受低温污水影响而导致出水不达标等问题。

利用传统活性污泥法在处理污水过程中往往还存在以下的问题：硝化菌具有生长繁殖缓慢、世代周期长等特点，但聚磷菌的生长繁殖速度较快，除磷过程需要较短的污泥龄来排放富磷污泥来将磷去除，即硝化菌生长与排泥除磷过程存在矛盾。在好氧条件下，硝化反应的进行和聚磷菌的好氧吸磷过程对溶解氧存在竞争关系。当面临低C/N 污水时，反硝化与除磷过程均需要足够的碳源，由于反硝化菌相当于聚磷菌会更优先利用碳源，易导致碳源不足，影响除磷效果。

而将密度接近于水的生物膜填料投加到反应池中作为微生物载体，构成活性污泥-生物膜复合系统，生物膜填料可以在反应器内随意流动，与污水中的有机物充分接触，经过挂膜培养后，世代周期较长的硝化菌、反硝化菌会分布于生物膜填料的内部，通过生物膜填料内部由内而外形成的“厌氧、缺氧、好氧”微环境，为硝化菌、反硝化菌提供了适宜的生存环境，可以有效减小硝化菌与聚磷菌之间的矛盾，同时还具有增加生物量及提高生物多样性、受低温环境及低C/N 污水影响较小等优点。

不同的生物膜填料具有不同的溶解氧和营养物质的传质效果，而生物膜在填料上的生长较大程度上受限于生物膜的传质性能，传质效果的好坏影响了生物膜的挂膜速度、生物膜上微生物的活性及微生物的群落结构。选取挂脱膜速度快、理化特性优越、污染物传质效果好的生物膜填料，对于更好实现硝化、反硝化反应，抵抗低温污水影响显得格外重要。生物膜填料的开发及选取作为生物膜工艺的技术核心，也成为了当下国内外诸多学者研究的热点。本文从生物膜填料特性对污水处理过程的影响、针对不同类型污水处理厂和不同类型污水对于填料的应用实例3 个方面，综述了目前对于生物膜填料的研究进展。

1 生物膜填料特性对复合系统的影响

1.1 填料材质

从生物膜填料使用的材质来划分，常用材料包括天然物质（如石头、砂砾、木片）、陶瓷、活性炭、塑料（如Kaldnes K1，K2，K3 和K5 等）、织物、多孔泡沫填料和化学聚合物（聚氨酯（PU）型、聚乙烯（PE）型、聚乙烯醇缩甲醛（PVF）型、聚丙烯（PP）型、乙酸乙烯酯（VAC）型等。

除了使用单一材质的生物膜填料外，组合填料在实际中也被广泛使用，该类型生物膜填料通常由2 个半球形外壳组装成一个空心球体，内置不同类型的生物膜填料。Fan 等[1]采用球型外壳内添加边长为3 cm的聚氨酯海绵填料和Kaldnes 3 型填料的形式构成组合生物膜填料，投加到多级A/O 反应装置中，COD、NH4+-N 和TN 在10 ℃低温条件下的去除效率分别达到85%、90%、80%。

1.2 填料几何形状

适当的几何形状可确保微生物的高效附着并实现更高的污染物去除率，生物膜填料具有良好的几何构型，可促使微生物具有良好的生长状态，对有机物有更高的降解效率。水中溶解氧和污染物可以顺利进入填料内部，与生物膜中的微生物充分接触，提高传质效率和污染物降解性能。

根据形状和大小的差异，区分为以下几种：环形、球形及齿面型，其中形状为立体块状或粒状，一般形状规则，孔隙率较大，比表面积也更大。聂泽兵等[2]将不同边长的聚氨酯海绵填料放于SBBR 反应器中探究边长对污染物去除效率影响的试验中，选用边长为1 cm、1.5 cm、2 cm 的3 种聚氨酯海绵填料进行试验，发现3 种填料对COD、NH4+-N 的去除率均达到90%、95%，但边长为1.5 cm 的聚氨酯海绵对于TN 的去除效果更佳。

1.3 填料填充率

系统中生物膜填料的填充率对控制微生物活性有着重要的意义，关系到反应器的微生物量、充氧能力，其不仅影响工艺的整体处理效果，还影响处理工艺的投资成本。在较高的填充率下，可以使系统具有更高的膜生物量及更高的污染物去除效率，有助于强化脱氮过程，但要伴随着更高的曝气量和电量用于搅拌。张新波等[3]研究发现，将聚氨酯海绵投加到MBBR 系统后，在10%、20%、30%的3 种填充率中，填充率为20%的情况下，对TOC、NH4+-N 的去除率较高，且生物量较高，但在30%的填充率下对TN 的去除率和SND 性能更高。

对于载体内部的填充率同样会导致不同的实验结果。王帆等[4]在考察（10±1）℃条件下SBBR 反应系统中流离球内部填充率时，通过改变流离球内部聚氨酯海绵和Kaldnes K3 的个数来提供18.3%、24.4%、30.5%、36.6%、42.7%的5 种填充率类型，研究发现，30.5%填充率下对污染物去除效果更好，微生物活性及总生物量较高。

1.4 填料比表面积

生物膜填料的比表面积是指单位质量填料具有的表面积总和。比表面积作为生物膜填料的一种物理特性，同样受到了研究者的关注。但是不同的研究结果，对生物膜填料比表面积这一参数对污水处理过程的影响产生了分歧。通常情况下，填料表面空隙越小、越多，填料的比表面积越大。而生物膜填料表面孔隙是生物膜生长和附着的关键位置，因此，比表面积越大，形成的生物膜越致密，具有的生物量就越高，较高的生物量对污染物的去除会起到积极促进作用。因此，生物膜填料的比表面积作为一种可调控参数，来添加到生物膜填料的选择上。

但也有研究表明，比表面积相差较大的2 种同类型生物膜填料对于污染物的去除效果大致相同。而且，当使用比表面积较大的生物膜填料时，表面生长致密的生物膜会致使反应器堵塞，在影响处理效果的同时增加了能源的消耗[5]。

2 针对不同类型工艺投加生物膜填料的应用

在污水厂升级改造的工程实际当中，建设新的曝气池或更先进的生物处理工艺往往需要更多的占地面积用于扩建，而采用通过向反应池中投加生物膜填料可以达到提高系统脱氮性能、抵抗低温影响和节省占地面积、节省改造支出的目的。

下面将列举国内外近些年来几种常见污水处理工艺采用投加不同类型生物膜载体来进行污水处理的工程实例。

2.1 生物膜填料在A/O、A2/O 工艺中的应用

有调查表明，目前已使用A/O、A2/O 等传统活性污泥法进行污水处理的污水厂在我国占有50%以上的市场[6]。四川某新建污水厂因受用地面积限制，在设计中采用一种基于A2/O 的MBBR 工艺，以25%的填充率向好氧区投加SPR-Ⅱ型HDPE 悬浮填料，后期水厂的运行效果良好，出水水质稳定达到一级A标准[7]。

2.2 生物膜填料在SBR 工艺中的应用

目前，全国累计建成的4 000 座污水厂中约有20%采用SBR 及其变形工艺[8]。在对于SBR 生物膜工艺的研究更多的集中在处理高浓度工业废水及难降解的有机废水的处理上。张俊等[9]向SBR 反应器中投加了拉西环填料构成SBBR 处理系统来处理垃圾渗滤液，实验结果表明，该SBBR 处理系统对于COD、NH4+-N 的去除率为81%和70%，即系统可以稳定运行。

2.3 生物膜填料在氧化沟工艺中的应用

氧化沟工艺凭借出色的脱氮除磷能力和良好的抗冲击能力得以广泛传播应用，但同时也受到污泥膨胀、污泥上浮等问题而导致出水水质不达标。西安市第三污水处理厂在原有处理规模10×104m3/d 的基础上进行提标改造，新增建设规模为5×104m3/d，将奥贝尔氧化沟的内沟设置为填料区，内部安装填料推进器，投加聚乙烯塑料生物膜填料，填充率为10%～20%。该工程出水水质稳定达标，且有效解决了污水厂用地紧张、改造工程需求工期短等问题[10]。

3 针对不同类型污水投加生物膜填料的应用

3.1 对低C/N 污水的处理

污水处理过程中的反硝化、厌氧释磷过程均需要利用有机物来作为电子受体，因此，污水中的C/N 值越高，越有利于反硝化及除磷过程，当进水COD 含量或进水中的N 过高时，形成低C/N 污水，对污水处理过程形成了巨大的挑战。而在我国大部分城市的C/N较低，面对低C/N 污水时，往往会采用投加碳源的方式，这不仅会增加污水处理费用，甚至会对污泥的沉降性能造成影响。通过投加生物膜填料，为微生物的生存提供了环境，促使生物膜载体上富集种类更多、丰度更高的微生物，高效利用碳源实现同步硝化反硝化反应、反硝化除磷反应，达到处理低C/N 污水的目的。郭艳君等[11]通过向A/O 工艺中投加一种由塑料圆片和纤维束构成的组合式填料，好氧区填充率为58.1%，缺氧区填充率为57.2%，来处理C/N 值为6 的生活污水，挂膜完成后反应器对COD、NH4+-N、TN 的去除效果良好。

3.2 对低温污水的处理

受季节性气候变化影响，我国北方大部分地区冬季温度降至0 ℃以下，同时污水处理厂进水水温降低，低温对污水处理工艺的影响较大，会导致硝化菌、反硝化菌的活性下降，对NH4+-N、COD 的去除能力降低，进而影响出水水质。低温下向工艺中投加生物膜填料可以通过增加系统中的生物量来应对微生物活性降低的影响。任彦强等[12]在12 ℃的条件下，对比测试了4 种类型的生物膜填料，分别为1 种自制填料和3 种市售填料，填充率为30%，添加到反应器中构成MBBR 反应器，实验结果表明，自制填料的亲水性更好，提高了微生物的附着能力，对COD、NH4+-N 的去除效率达到了77%和99%。

3.3 对工业废水的处理

工业生产过程中产生的废水和废液称为工业废水，具有组分复杂、排放量大、易造成环境污染等特点。通过比较发现，在污染物含量上区分为高NH4+-N 高COD、低NH4+-N 低COD、低NH4+-N 高COD 3 种类型工业废水，生物膜法更适合处理低NH4+-N 低COD 浓度废水[13]。生物膜法处理工业废水的原理是利用生物膜载体上富集的微生物进行吸附降解作用，使污染物得到去除，选取可以富集较多生物量的生物膜填料对于处理工业废水可以起到促进作用。朱明娟[14]通过向A/O 反应器中投加填充率为35%的聚氨酯海绵填料，构成活性污泥-生物膜系统来处理煤化工高氨氮废水，挂膜后的稳定处理期间，对废水中有机物实现全部去除，对总氮的去除率达到76.3%。